國產特斯拉降低的底氣何在 磷酸鐵鋰電池或是答案

來源： 驅動中國 作者： 閆珅祥   2020-05-20/17:53

最近電動車行業最引人關注的點莫過於國產特斯拉Model 3即將搭載寧德時代生產的磷酸鐵鋰動力電池。大概不少人都不明白何為磷酸鐵鋰電池，這種電池與目前電動車上常用的三元鋰離子電池有什麼區別，而且特斯拉為什麼要選擇磷酸鐵鋰電池。

動力電池的現狀

動力電池領域目前主要有三元鋰和磷酸鐵鋰兩大技術路線，兩種電池的負極材料均是石墨，三元鋰電池由於其正極材料含有鎳鈷鋁或者鎳鈷錳所以被叫做三元鋰，相應的正極材料裡沒有鈷元素的電池被叫做無鈷電池，其中的代表就是磷酸鐵鋰電池。

早期電動車剛起步時，磷酸鐵鋰也是行業主流之一，最近幾年國家在補貼上偏向長續航裡程的車型，因此具有高能量密度優勢的三元鋰電池應用更為廣泛。另外，當時電動車剛剛興起，即便在發達城市，充電樁的數量也極為有限，所以容量更大的三元鋰電池更受消費者歡迎。

現如今國家補貼逐年退坡，但消費者肯定不希望車企漲價，這就帶來一個問題，電池成本並沒有降多少，補貼少了價格還不漲，車企就得做賠錢買賣，所以磷酸鐵鋰電池重回主流。有研究數據顯示，截至2019年年底，國內三元鋰電池包的單價為1.05元/Wh；磷酸鐵鋰電池包的單價為0.8元/Wh。這樣的差價車企沒法拒絕。

既然磷酸鐵鋰電池在成本方面有著明顯優勢，為什麼此前沒有大規模的使用，最核心的原因就是能量密度。前幾年市場上的磷酸鐵鋰電池電芯能量密度僅為120Wh/kg左右，而特斯拉Model 3上搭載的21700電池電芯能量密度為前者的一倍，所以磷酸鐵鋰電池只在一些入門廉價的電動車上使用，在中高端電動車上是絕對看不到的。

至於特斯拉計劃使用磷酸鐵鋰電池的消息，說到底還是能量密度。因為現如今磷酸鐵鋰電池的能量密度已經有了明顯提升。目前寧德時代的電池能量密度暫無數據，不過我們拿比亞迪發布的磷酸鐵鋰電池來說，其能量密度已經達到190Wh/kg，基本趕上了主流三元鋰電池的水平，再考慮到價格優勢，車企轉而使用磷酸鐵鋰電池是必然選擇。

除了更低的成本，磷酸鐵鋰電池還有一項優勢是三元鋰電池無法比擬的，那就是消費者最關注的安全性。三元鋰電池由於材料較為活潑且燃點較低，所以耐高溫性遠不如磷酸鐵鋰電池。磷酸鐵鋰電池熱失控溫度普遍在500度以上，三元鋰電池則低於300度，一些高鎳比例的三元鋰電池熱失控溫度甚至低於200度，所以不難解釋為什麼搭載三元鋰電池的車一旦自燃就會燃燒的非常迅速。

特斯拉為什麼要選擇磷酸鐵鋰電池

我們從國家工信部官網上獲取了第333批《道路機動車輛生產企業及產品》申報目錄信息，其中上海工廠生產的特斯拉Model 3車型搭載磷酸鐵鋰動力電池。早在今年2月，寧德時代便對外宣布已與特斯拉籤訂量產供貨定價協議，特斯拉將向寧德時代採購鋰離子動力電池。

除了即將採購寧德時代的磷酸鐵鋰電池外，特斯拉與寧德時代還在共同研發另一款長壽命、低成本電池。特斯拉的這款全新電池是與寧德時代聯合開發，同時還部署了特斯拉和馬斯克招募的電池專家團隊開發的相關技術。在中國推出後，特斯拉還將在包括北美在內的其他市場推出具有更高能量密度和存儲容量、成本更低的改進版電池。

那麼特斯拉放著好好的三元鋰電池不用，為何要選擇磷酸鐵鋰電池呢。能量密度、成本和安全性都是重要考量。前文我們已經說了，早期電動車沒有選擇價格更低的磷酸鐵鋰電池而是轉向三元鋰電池，最直接的原因就是能量密度。現在能量密度已經提升到接近三元鋰電池的水準，同時價格還更低，為什麼不用呢？至於安全性，這可是磷酸鐵鋰電池的強項。

磷酸鐵鋰電池真安全？

隨著電動車的大規模普及，消費者對於電動車的接受程度越來越高，但在這一過程中不斷有電動車自燃事故的報導，比如特斯拉Model S近幾年來在全球範圍內就多次發生自燃，引發了消費者對於新能源汽車可靠性的擔憂。磷酸鐵鋰電池縱觀這些自然事故發生的主要原因都是電池，但是作為電動車自然是離不開電池的，那麼如何保證動力電池的安全性就顯得尤為重要。

磷酸鐵鋰電池是否安全我們可以藉助一個實驗來說明——針刺實驗。我們從國家關於《電動汽車用鋰離子動力蓄電池安全要求》的徵求意見稿可知，所謂的電芯針刺試驗是按照GB/T 31485-2015的針刺試驗方法，將電池充滿電，用直徑為5-8mm的耐高溫鋼針，以（25±5）mm/s的速度，從垂直於電池極板的方向貫穿，貫穿位置宜靠近所刺面的幾何中心，鋼針停留在電池中，觀察1小時，不起火、不爆炸才算合格。

對於鋰離子電池來說，發生自燃大多是內部電芯熱失控。所謂熱失控簡單來講就是電池內部的產熱速率遠高於散熱速率，我們拿去年發生在國內的特斯拉Model S自燃事故來看，事故車電池包中的某一個模組電芯出現熱失控，隨著溫度升高然後整個電池包就開始燃燒爆炸。

電芯出現熱失控的主因是電池內部短路，在短時間內迅速積累大量熱能，熱量無法排出從而引發電池包著火甚至爆炸，而針刺實驗目的就是人為刺穿電池引發內部短路，觀察電池在這種情況下還能不能保證狀態穩定。

這裡我們藉助比亞迪實驗室的視頻可以很明顯看到兩種電池之間的區別，首先三元鋰離子電池在鋼針刺穿三元鋰電池使其內部短路後，電池內部壓力迅速上升，電池殼體開始膨脹，內壓推開洩壓閥。電池內部物質一併噴出，直接發生爆炸。比亞迪在做實驗時還在電池上放了雞蛋，觀察電池殼體的溫度能不能把雞蛋煎熟，可惜雞蛋在電池爆炸的過程中被炸飛了。在實驗過程中，電池外殼溫度最高達到420攝氏度。

上文中我們也提到過，三元鋰電池的熱失控溫度低於300度，在電池被鋼針刺穿導致短路後，電池內部溫度迅速提升，電池正極材料達到分解溫度，分解產生大量的游離態氧，進一步促進了內部化學反應進行，隨之而來就是電池內部壓力上升推開洩壓閥，洩壓閥開啟後由於電池內部殘留的可燃電解液接觸到空氣中大量氧氣，所以最終發生了爆炸。

同樣的實驗，磷酸鐵鋰電池面對針刺試驗從容不少。從實驗結果來看，鋼針穿透電池後，短路導致電池內部壓力迅速上升，電池外殼鼓脹，隨後洩壓閥打開，電池內部電解液噴出，之後電壓開始下降電池外殼溫度上升，在實驗過程中，電池外殼溫度最高達到239攝氏度，電池外殼上放的雞蛋已經被煎熟了，足以證明實驗過程中電池外殼溫度較高。

通過實驗結果可以看出，普通磷酸鐵鋰電池雖然也出現短路發熱，但因為其熱失控溫度更高，所以電池內部發生化學反應的程度並不劇烈，隨著壓力的提升推開洩壓閥洩壓，避免了電池內部壓力過大發生爆炸，在整個實驗過程中，電池沒有發生起火和爆炸，安全性還是值得肯定的。

磷酸鐵鋰電池會成為行業主流嗎

答案是肯定，磷酸鐵鋰電池會與三元鋰電池共存。消費者和車企都希望動力電池容量大，同時安全，價格還得便宜。儘管磷酸鐵鋰電池包的能量密度已經有了大幅提升，但是與三元鋰電池還是有一定差距，依照目前充電設施的建設速度來看，消費者對於續航裡程的焦慮還在，所以很大一部分車企依舊會選擇高能量密度的三元鋰電池。

在安全方面毫無疑問是磷酸鐵鋰電池完勝，不過三元鋰電池也是能夠滿足日常安全要求的。目前量產車型上的三元鋰電池雖然其單體安全係數較低，但是車企在隔熱、溫控以及碰撞防護等方面花費更多精力設計，儘管這些額外的設備一定程度上限制了電池包整體能量密度的提升，不過依靠電池包安全結構和電池管理系統的優化設計還是能保證電池在日產使用層面上的安全性，國家也有專門的規定，當鋰離子電池由於單個電芯熱失控而引起熱擴散，車輛需要提前5分鐘警告用戶疏散。

至於價格便宜，這個確實是磷酸鐵鋰電池的強項，三元鋰電池完全沒有還手之力。除了上述三項以外，磷酸鐵鋰電池循環壽命更長，不過在低溫狀態下的放電特性卻不如三元鋰電池，另外充電速度也不及後者。

綜合來看，磷酸鐵鋰電池優點在於更低的成本，更高的安全性，以及更長的循環壽命，而三元鋰電池則勝在更高的能量密度，更好的抗低溫性，以及更強的充電性能，兩者各有優劣，誰也做不到完全取代對方。兩種不同類型的鋰離子電池應該會有更明確的分工，對於那些追求快充以及長續航的車型，三元鋰會是主流選擇；而對於價格更加親民的車型來講，會更多考慮選擇磷酸鐵鋰電池。如此看來，特斯拉在入門級的Model 3上使用磷酸鐵鋰電池就非常合理了。